用於校準傳感器的方法及系統的製作方法

2023-04-25 04:56:26 3

專利名稱：用於校準傳感器的方法及系統的製作方法
用於校準傳，的方法及系統技術領域[OOOl]本發明總體上涉及傳感器，尤其涉及用於校準三軸加速度計的方法及系統。
技術背景
已知的用於校準三軸加速度計(同軸三柱器(triax))的校準技術通 常是對單個應力傳感器的全刻度和偏置輸出變化進行補償，然後用數學方法調 整應力傳感器元件，使其被定向成彼此正交並按照笛卡爾坐標系排列。然後旋 轉變換使該同軸三柱器以已知的實驗室坐標系統對準。也就是，對同軸三柱器 的坐標系統進行旋轉以匹配由校準裝置限定的實驗室參考系。該實驗室參考系 可以與具有鋭隹標記的工具面或公共參考表面上的參考系相關聯。
三軸加鵬計組裝通常是冗長的過程。並且，由於相對低的銷售量， 因此，在自動三軸組裝過程上幾乎沒有投資。此外，三軸加速度計的一些部件 耐用，例如框架，但是其他部件如應力傳感器元件可能易碎和/或昂貴。另外， 將應力傳感器元件的一端耦合到三軸加速度計底盤，以及將該應力傳感器元件 的另一端耦合到懸浮的質量塊(proof mass),使得應力傳SI元件被定向成彼 此正交可能是困難的。並且，彼此正交地定向應力傳感器元件的過程通常是主 觀性的，並且因此，可能在應力傳感器元件之間產生小的未對準。這種未對準 會對三軸加繊計的校準產生不利影響，這陶氐了其測量精確度。發明內容
在一方面中，提供一種用於校準傳感器的方法。該方法包括提供 限定第一坐標系統的固定件，提供底盤，並對多個傳感器元件定向以構成未對 準的坐標系統，其中該未對準的坐標系統軸被定向成彼此之間呈非直角。該方 法還包括將被校準的傳感器耦合到該固定件，並用數學方法補償該未對準的坐 標系統以與第一坐標系統對應。
在另一方面中，提供一種校準系統，該系統包括限定第一坐標系統 的固定件、底盤、耦合到該固定件的傳感器，以及多個傳感器元件，該多個傳感器元件被定向以構成未對準的坐標系統，該未對準的坐標系統軸被定向成彼 此之間呈非直角，其中傳感器輸出被用數學方法補償，使得該未對準的坐標系 統與第一坐標系統對應。
在另一方面中，提供一種校準系統控制器，該校準系統控制器包括 用於優化傳感器的校準參數以對傳感器的未對準的坐標系統進行補償的處理 器，從而通過確定分解的力向量月"({4^+》，使該未對準的坐標系統與第一坐標系鄉M準，其中/;是，軍的力向量，j就準矩陣，《是刻度向量，^是 電壓向量，s是偏壓向量，/是單位矩陣。


圖1是由單一三t組的應力傳,元件支撐的示例性質量塊的透視圖2是包括被彼此正交地定向的三軸傳繊的未對準的軸的示例性 三維三軸坐標系統；
圖3是包括被彼此不正交地定向的三軸傳感器的未對準的軸的三維 三軸坐標系統；
圖4是示出Y、由不正交於X、由的示意圖；[OOll]圖5是由兩組三t組的應力傳感器元件支撐的示例性質量塊的透 視圖；以及
圖6是示出三軸傳感器的X軸相對於校準固定件的Y平面的取向的 示意圖。
具體實施方式
圖1歸例性三軸加速度計的透視圖，所髒軸加速度計也被稱為 同軸三柱^(專繊10，其包括單一三個一組的應力傳 元件14、 16和18。 更具體地，在示例性實施例中，質量塊12由該三個一組的應力傳^元件14、 16和18支撐。*應力傳自元件14、 16和18分別包括第一端15、 17和19 以及第二端21、 23和25。應力傳感器元件14、 16和18的第一端15、 17和19 分別被耦合到同軸三柱^l專感器底盤20、 22和26，並且第二端21、 23和25 均被耦合到質量塊12的相應面。
同軸三柱:tM專感器10通常採用可調節的校準固定件(未示出)在光 學平表面上被校準，該可調節的校準固定件被設計成將同軸三柱器傳感器10保持在固定取向上。該固定件被設計成便於將同軸三柱器傳感器10相對於固定件 的已知的笛卡爾坐標系統精確定位。固定件具有彼此正交地安裝的三個精確旋 轉臺。在校準過程中，對每個臺上的微定位器(未示出)進行調節以改變同軸三柱^lf專繊10的取向。對針取向記錄應力傳麟元件14、 16和18的輸出。
圖2是示例性的三維同軸三柱器傳感器的坐標系統28，該坐標系統 28包括已知的軸X、 Y和Z以及未對準的軸X*、 Y、nZ*。應該明白，己知的 軸X、 Y和Z表示由校準固定件的於平面限定的軸，並且未對準的軸f、 Y*、 f由元件14、 16和18限定並理想地假設或已知其彼此間正交。在兩個正交的 坐標系統對準的過程中，需要使同軸三柱tM專感器10相對於固定件的X、 Y和 Z軸進行三個唯一的旋轉，以便定向兩坐標系統使其一致。[oon]圖3是由x、 y禾n z軸指定的示例性三維同軸三柱^f專感器坐標系統30，其包括未對準且變形的軸X*、 Y*、 Z'。應該理解，未對準且變形的軸 X*、 Y、Z'彼此間不正交定向，並且與X、 Y和Z軸不相關或不對準。
通常，為了完全校準並對準同軸三柱器傳感器IO，未對準的軸y、 Y、 Z、皮用數學方法補償，也就是被旋轉、縮放、偏置，以便基本上與固定件 的已知X、 Y和Z軸相對應。作為第一步，未對準矩陣M被用於用數學方法調 整應力傳 元件14、 16和18的輸出，使得它們的輸出模仿(emulate)相互 正交的X*、 Y、 Z、由。當三個一組的傳感器10的應力傳自元件14、 16和18 彼此不正交定向時，如圖3所示，對稱的未對準矩陣M定義如下1 —I —附vformula see original document page 6應該明白，未對準矩陣M補償物理上彼此不正交的應力傳感器元件 14、 16和18。在矩陣M中，每個非對角線的輸入與同軸三柱:^專感器10上的 軸X*、 Y、 Z'之間的角相關，從而，如果這些軸相互正交，則Kyh |mxzh |ng=0。如果它們不相互正交，則這三項中的一個或多個將不等於o。
圖4是當所定義的同軸三柱器的Y、由真的不與X'軸正交的情況下的示例性示意圖。為了表示不正交，X、 Y'的單位向量都假設為位於紙面限定的平面中。由於X、Y'之間的角距離小於90度(銳角)，因此m^。同樣重要地，不管包括的角度是參照X、由還是參照Y'軸，X和Y軸之間的角度相同。逸就意瞎M矩陣就稱的，也就是，nv二nv。因此，採用單一三t組的應力傳感器元件，僅需要三個量nv、 n^和n^來重新形成X'、 Y'和Z、由，使得它們相互間彼此正交。應該明白，未對準矩陣M只用於保證應力傳繊元件彼此正交，並且不使應力傳感器元件與校準固定件的實驗室參考系相關。
圖5是示例性的也被稱作同軸三柱器傳感器32的三軸加速度計的透視圖，其包括兩組三個一組的應力傳 元件^叩、質量塊34和構件36、 38和40，它們一起構成單個底盤。第一組三個一組的組件p包括應力傳感器元件W、 ^、 ^，而第二組三t組的組j鄰包括應力傳感器元件(3x、 (V pz。針應力傳麟元件&、 )Liy、 )Liz、 Px、 Py、 Pz產生電壓，使得每組三t組的元件產生三個電壓的總值。採用下述的方程(1)，每組三個一組的應力傳感器元件的三水電壓f被轉換為懶軍的力向量F
《=M({^+5)
在方程(1)中，M為未對準矩陣，S為由S《(1)給出的刻度向量，f為由f =給定的偏壓向量或電壓偏移，/是單位矩陣。應該明白，刻度向量5為用於給定應力傳感器元件&、 ^、化、PX、 Py和Pz的全刻度輸出校正因子，下標,表示校準過程中同軸三柱制專離32的取向數目。在示例性實施例中，元件^、 A、 )Llz、 Px、 (3y和(3z產生電位(電壓)輸出。然而，應該理解，雖然示標樣板與待測影像的比對，因此具有如下所述的優點及功效1、 利用適應函數減少比對時間。預先在目標樣板內設定數個像素點，並 計算其適應函數值，當目標樣板在比對待測影像時，只計算比對其適應函數 值(也可以算是該數個像素點的差異度，其餘像素點都予以忽略計算，可以大 幅減少比對時間。2、 通過基因演算法迅速找出最佳目標樣板。本發明使用的基因演算法是一種無需梯度(gradient)資料的最佳化工具，只要找到適應函數經過不斷的 疊代，即可找到最佳的解，進一步產生最佳的目標樣板。3、 以序列方式節省記錄目標樣板所需的存儲體空間。本發明利用基因演 算法則，以與待測區塊影像的最小差異量的條件，在目標樣板上選取預定的 像素點，其餘非選取的像素點都予以忽略，加上採用序列的方式來記錄所選 取像素點的資訊，故，節省許多記錄目標樣板資訊所需的存儲體空間。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上 的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等 同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
然而，由於校準儀器的不理想和隨機誤差，殘差C通常並不等於O。 結果，將校準設計為通過取其微商並將其設定為等於0，也就是^乂 = 0的方式 使l ;l最小化。
此外，^通常為地球重力場，使得《=^二{9.81柳/ }2。在示例性 實施例中，通過JOT鉛錘線(未示出)來確定該重力向量，並且該重力向量沿著固定件的X、 Y和Z軸被^M為如下的三個分量-& = - &
利用如下面方程(5)所示的泰勒級數展開的前兩項，對方程(4) 的解進行簡化
"=Z(4-(A+t巧泡))2 (5)
在方程(5 )中，a是包含12項的解向量，由f給定，且敲是用於迭代i爐小化C的相關聯的校正因子。下標/和^表示用於由方程(5)最小化殘差^的同軸三柱^j專感器32的第/個取向和第yt次迭代，使得目標函數的微商^乂等於0 (也就是9乂 = 0)。這樣，為了計算方程(5)中使用的敲，對*取向/和每次迭代yt計算f乂的微商，並將其設定為O。利用計算出的微商，定義矩陣H並獲得下面(6)中所示的線性系統
服=疋 (6)
其中// = ^^。月,。^ (6a)
以及^ = 2夂^(4-^) (6b)
矩陣H包括由下面方程(7)進行計算的各個元素
屹=zi(^;. /^,)(^ " m) (7)
其中/和w分別為行下標和列下標，且m同軸三柱器力向量《的 ，Y和Z分量進，fi^代。^為其各個元素由下面所示的方程(8)進行計算的
^ = st(^;(8)
其中/和m分別為行下標和列下標，並且y艦卩.的X、 Y和Z分量 進fi^t代。應該明白，對H矩陣和》向量中的各個元素在每次迭代yt時進行重iH十算，以解決解向量5的變化。々A包含用於方程(7)和(8)中的12個偏 導數，這^j扁導數3I31下面的方程(9a-91)予以確定formula see original document page 10formula see original document page 11(91)
在示例性實施例中，在確定了矩陣H和12個成分向量》之後，禾, 兩步處理以增加校準處理的精確度，或確定解向量5的最佳值。第一步包括為 解向量5選擇合適的初始值，並利用標準矩陣逆算法對線性系統(6)進行求解。 解向量5的初始值M:假定同軸三柱謝專感器32分別與校準固定件(未示出)限定的實驗室參考系準確對準、應力傳感器元件^、 ^、 A與Px、 (V Pz分別互 相正^確定。這樣，對準矩陣A被假定為單位矩陣，刻度向量S也被假定為 單位矩陣，且偏差向量^被假定為O。應該明白，在示例性實施例中，釆用LU 爐對線性系統(6)進行求解。應該理解，雖然示例性實施例採用LU ，率， 但其他實施例也可以採用任何旨,如這裡所述校準同軸三柱^i專感器32的方法 來求解線性系統(6)。
在示例性實施例中，校正因子敲^通過如下面方程(10)所示的那 樣對矩陣H進行求il^確定
在第二步中，禾,校正因子^對選出的解向量5進行更新，以採用下面方程(11)所示的方式確定最佳的解向量^+,
《+1 =^+^ (11)
迭代過程繼續進行直到^ < S為止，其中5是用戶對<^的針元素的收斂性標準定義的向量。在替換的示例性實施例中，用戶可以選擇收斂標量Tl ， 使得在《q時迭代終止。在替換實施例中，用戶選擇單一值來識別算法收斂。 不論選擇了明P個收糹娘量，迭代過程都確定解向量5的12個自變量。解向量5 的12個自變量中的每一個被用在方程(3a)中，以便補償三軸應力傳感器元件 Mx、 ^、 )Liz、 px、 Py和Pz相對於強加的力向量4的未對準、縮放、偏差。應該理 解明白，隨著同軸三柱制專感器32的取向/數目的增加，與解向量5成分相關 聯的不確定性隨之斷氐。
在示例性實施例中，對每組三個一組的^叩需要最少12個唯一的同 軸三柱器傳感器32 的取向， ，以定義解向量 5二[Uy,&,c^,&, , ,aw AAAf中的項。應該明白，需要同軸三柱器傳感器32的12個獨立的取向來唯一地確定解向量5 。應該理解，雖然示例性 實施例中描述為需要12個獨立的取向，但是在其他例子中，大於12的任何數 目的取向^以採用。
應力傳自元件是精密裝置，當它們經歷強烈擠壓、拉伸或瞬間(剪 切)力時很容易發生故障。為了充分支撐質量塊34以使應力傳 元件不過早 地出現故障，需要6個或更多的應力傳，元件^、 、a、 px、 J3y和(3z。應力 傳 元件&、 ^、 Mz、 (3x、 Py和Pz使質量塊34施加的重力和力矩保持平衡。 因為需要至少6個應力傳皿元件(Lix、 a、 a、 px、 (3y和(3z，方程(3a)中所示 的對準矩陣A按照如下所示的方程(12)展開 formula see original document page 12
這裡描述的校準技術可能是冗長和重複的。因此，在示例性實施例 中，採用包括控制器、處理器以及存儲器的計算機系統(未示出)與用於校準 固定件的三W由的機動化精確裝配一^t同軸三柱制專感器32進行定向。
這裡所用的術語"處理器"可以包括任何可編程的系統，包括採用 微控制器、精簡指令集電路(RISC)、專用集成電路(ASIC)、邏輯電路以及任 何其他能夠執行這裡所述功能的電路或處理器的系統。上面的例子只是作為示 例，並不是用任何方式來限定術語"處理器"的定義和/或意義。
存儲器可以採用可變的、易失性或非易失性存儲器或不可變的、或 固定的存儲器的任何合適的組合來實現。可變的存儲器，不論是易失性的還是 非易失性的，都可採用靜態或動態的RAM(隨機存儲器)、軟 磁碟驅動器、 可寫的或可再寫的光 磁碟驅動器、硬碟驅動器、快閃記憶體等中的任何一個或多 個來實現。相似地，非可變的或固定存儲器可以採用ROM(只讀存儲器)、PROM (可編程只讀存儲器)、EPROM (可擦除可編程只讀存儲器)、EEPROM (電可 擦除可編程只讀存儲器)、如CD-ROM或DVD-ROM盤等的光學ROM盤、以 及磁碟驅動器等中的任何一個或多個來實現。
應該理解，計算機系統可以是任何種類的能夠執行這裡所述的校準同軸三柱傳感器32的計算的計算機系統。該計算機系統便於戀il同軸三柱器取向,移動同軸三柱§1#繊32，採集元件)Llx、 |Lly、 Mz、 Px、 (3y和Pz產生的電壓，執行這裡所述的所有計算並使操作者的誤差最小。進一步，該計算機系統可以進行自動運行，實現連續24小時的校準周期。
這裡描述的示例性實施例便於使相對於已知的參考系校準三軸傳感 器所需步驟的數目最小化，這裡的參考系例如但不限於坐標系統。例如，當採 用同軸三柱器傳感器作為向下鑽 L操作中的取向模塊中的一部分時，可以採用 示例性實施例將未被校準的同軸三柱器傳感器對準並補償至打鑽工具面上的己 知參考系。從補償、旋轉以及校準處理中消除步驟，便於使與校準、輸出補償 以及傳感器插入步驟中處理和旋轉同軸三柱器傳自相關聯的系統和隨機誤差 最小化。更具體地，示例性實施例對準三個一組的應力傳感器元件的輸出使其 正交，補償應力傳感器元件輸出中的亥岐和偏壓因素，並旋轉同軸三柱制專感 器的坐標系統以使其與實驗室參考系相匹配。並且，示例性實施例採用單一的 一組校準數據來執行對準和旋轉，使得具有非笛卡爾(即非正交的)應力傳感 器元件幾何的三軸加皿計的設計被旋轉至已知的笛卡爾參考系，例如但不限 於實驗室校準固定件的參考系。
在上述校準方法的每個實施例中，方便於對非正交定向的應力傳感 器元件的校準付出更小的勞動強度並更力備確。更具體地，在每個實施例中， 該方法通過在同軸三柱器傳感器輸出和在同軸三柱器傳感器上的檢測的重力 (或其他強加的)間的關係中採用三個額外的校準項，使同軸三柱器傳感器的組 裝和製造更容易，並方便進行同軸三柱tH專感器的自動校準。結果，同軸三柱 ^H專感器的校準更精確並更快地進行，產量增加，並且同軸三柱^^專 可以 提供更精確地測量。因此，同軸三柱器傳感器的性能和組件的可用壽命的每一 個可以在成本有效和可靠的方式下得以提高。
上面對校準方法的示例性實施例進行了詳細的描述。該方法不限於用在這裡所述的特定的同軸三柱器傳自配置中，而是，該方法可以與這裡所 述的其他校準部件獨立並相分離地實施。並且，本發明不限於上述詳細描述的 校準方法的實施例。而是，在權利要求的精神和保護範圍之內的校準方法的其 他變化都可以採用。部件列表10:同軸三柱IM專皿 12:質量塊 14:元件 15:第一端20:同軸三柱||#^|底盤 2h第二端28:同軸三柱器傳感器坐標系統 32:同軸三柱^[專 34:質量塊 36:構件
權利要求
1.一種校準系統，包括限定第一坐標系統的固定件；底盤(20)；耦合到所述固定件的傳感器(10)；以及多個傳感器元件(14)，該多個傳感器元件(14)被定向以形成具有未對準的坐標軸的未對準的坐標系統(28)，該未對準的坐標軸被定向成彼此之間呈非直角，其中傳感器輸出被用數學方法補償，使得所述未對準的坐標系統與所述第一坐標系統對應。
2. 根據權利要求l的系統，其中所述多個傳 元件(10)中的每一* 括第一端(15)和第二端(21)，所述第一端的每一個與所述多個底盤(20)中 相應的一個相耦合；以及所述第二端的每一個與質量i央(12， 34)的相應面相耦合。
3. 根據權利要求l的系統，其中所述多個傳麟元件(10)進一步包括至 少兩組三^"組的傳&元件。
4. 根據禾又利要求l的系統，進一步包括由目標函數確定的最小殘差值，該 目標函數由下述給出其中，4為地球重力場，《為感應到的力向量，《為所述最小殘差值。
5. 根據權利要求l的系統，進一步包括由《=44^+6—)給出的方程確定 的懶軍的力向量，其中月為懶軍的力向量，^為對準矩陣，^為亥岐向量，^為 電壓向量，^為偏壓向量，/為單位矩陣。
6. 根據禾又利要求l的系統，進一步包括解向量，該解向量331為所述解向量選定至少一個初始{魏確定；以及 線性系統，該線性系統由//^=》限定，其中敲^為校正因子，i/為具有按照 i:i:(^/^)(^y^j計算的元素的矩陣，^為所鵬定的解向量， 且》為向量。
7. 根據權利要求l的系統，進一步包括為至少一個取向計算的至少一次迭代的殘差值；以及當滿足由紀^ "和d中的至少一個所限定的收斂標準時，選擇對所述 至少一個取向計算的最小殘差值。
8. 根據權利要求6的系統，進一步包括改進的解向量，該改進的解向量等 於所,定的解向量和所述校正因子之和。
9. 一種校準系統控制器，包括處理器，用於iiil確定懶軍的力向量^d((4^")，最優化傳感器(10) 的校準參數，以對所述傳感器的未對準的坐標系統(28)進行補償，使得所述 未對準的坐標系統與第一坐標系統對準，其中《為所述分解的力向量，^為對 準矩陣，f為亥岐向量，J 為電壓向量，f為偏壓向量，/為單位矩陣。
10. 根據權利要求9的校準系統控制器，其中所述處理器進一步確定由目 標函數確定的最小殘差值，該目標函數由下述給出《=z i - d - 。2+- ~ )2+- 。2其中，^為最小的殘差值，^為地球重力場，且^為感應到的力向量。
全文摘要
本發明涉及用於校準傳感器的方法及系統。提供一種校準系統。該校準系統包括用於限定第一坐標系統的固定件、底盤(20)、耦合到固定件的傳感器(10)，以及多個傳感器元件(14)，該多個傳感器元件(14)被定向以形成具有未對準的坐標軸的未對準的坐標系統(28)，其中該未對準的坐標軸被定向成彼此之間呈非直角，其中傳感器輸出被用數學方法補償，使得所述未對準的坐標系統與所述第一坐標系統對應。還提供了校準傳感器的方法。
文檔編號G01P21/00GK101231304SQ20081000955
公開日2008年7月30日 申請日期2008年1月22日 優先權日2007年1月22日
發明者D·J·塞維, E·A·奧亞克登, J·A·哈姆, L·A·坎貝爾, M·A·伍德曼斯, R·P·斯塔霍夫 申請人:通用電氣公司